340K液壓舉升裝置動(dòng)力源優(yōu)化設(shè)計(jì)

李振衛(wèi)(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

液壓舉升裝置起源于加拿大，50多年來(lái)在北美地區(qū)和東南亞蓬勃發(fā)展，該裝置已在側(cè)鉆、完井、起下電泵、打撈、套銑封隔器、鍛銑套管、鉆水泥塞、棄井作業(yè)等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，是使用大型液壓缸替代傳統(tǒng)鉆機(jī)和修井機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)功能，進(jìn)行起下井下管柱的一類(lèi)修井裝置。可替代常規(guī)修井機(jī)進(jìn)行修井和棄井作業(yè)，按照設(shè)備功能可分為帶壓作業(yè)機(jī)和液壓舉升修井裝置兩類(lèi)。面對(duì)油價(jià)低迷的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，以及海上油氣田開(kāi)發(fā)高投入的成本壓力，2017年國(guó)內(nèi)開(kāi)始引入液壓舉升裝置進(jìn)行海上平臺(tái)修井作業(yè)，液壓舉升裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低，在無(wú)修井機(jī)平臺(tái)進(jìn)行修井作業(yè)、小修井機(jī)平臺(tái)進(jìn)行側(cè)鉆前井眼準(zhǔn)備具有較大的市場(chǎng)[1-7]。

目前海上平臺(tái)液壓舉升修井作業(yè)主要有套管頭承載安裝和液壓滑移底座承載安裝兩種方式[8]，為更好的適應(yīng)海上平臺(tái)修井作業(yè)，結(jié)合海上平臺(tái)修井作業(yè)需求對(duì)340K液壓舉升裝置動(dòng)力源液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，舉升液壓缸和液壓轉(zhuǎn)盤(pán)共享液壓泵組，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況分配舉升液缸和轉(zhuǎn)盤(pán)的流量。并且集成了液壓滑移底座控制回路，可通過(guò)液壓動(dòng)力源操作面板對(duì)滑移底座進(jìn)行控制，配合液壓滑移底座進(jìn)行海洋平臺(tái)從式井修井、棄井作業(yè)時(shí)，可大幅縮短設(shè)備安裝拆卸作業(yè)時(shí)間提高作業(yè)效率。

1 技術(shù)需求

液壓舉升修井裝置主要用于修井作業(yè)，如：檢泵作業(yè)、更換管柱作業(yè)、7″和9-5/8″技術(shù)套管切割、套銑、磨銑、打撈作業(yè)等，技術(shù)需求如表1所示[9-12]。

表1 液壓舉升裝置技術(shù)需求表

液壓舉升裝置液壓系統(tǒng)設(shè)備主要有舉升液缸、液壓轉(zhuǎn)盤(pán)等專(zhuān)有設(shè)備和伸縮桅桿(包含液壓絞車(chē))、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、液壓滑移底座爬行器液缸等外購(gòu)設(shè)備(表2)組成。舉升液缸共四支油缸，缸徑D=160 mm，桿徑d=110 mm，行程L=3 048 mm，單支油缸舉升力F=385 kN，工作壓力21 MPa。液壓轉(zhuǎn)盤(pán)由4個(gè)馬達(dá)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)馬達(dá)排量為246 cm3/rev ，最大連續(xù)工作壓力21 MPa。

表2 外購(gòu)設(shè)備參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓動(dòng)力源是根據(jù)液壓舉升裝置的使用工況要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)配套設(shè)備，是液壓舉升裝置所有液壓設(shè)備工作的動(dòng)力源。主要由動(dòng)力泵組、控制面板、液壓閥組、液壓油箱幾部分組成。選用3套雙聯(lián)泵，1套三聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。液壓泵參數(shù)如表3所示。

表3 液壓泵參數(shù)

液壓原理圖如圖1所示。不使用轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，1#、2#、3#、4#泵1給舉升系統(tǒng)供油，大修作業(yè)使用液壓轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤(pán)，平衡絞車(chē)1、平衡絞車(chē)2、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、散熱由剩余泵供油。液壓滑移底座爬行器控制閥集成在控制面板，與平衡絞車(chē)1、平衡絞車(chē)2共享液壓泵。M1～M7分別為液壓轉(zhuǎn)盤(pán)、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車(chē)、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、散熱馬達(dá)壓力表。X1～X8分別為液壓轉(zhuǎn)盤(pán)、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車(chē)、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、散熱馬達(dá)加載/卸荷閥。舉升系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)遠(yuǎn)程溢流閥調(diào)節(jié)液壓站內(nèi)溢流閥進(jìn)行調(diào)壓。

圖1 液壓原理圖

3 液壓系統(tǒng)計(jì)算

3.1 舉升系統(tǒng)速度流量匹配計(jì)算

舉升系統(tǒng)根據(jù)工況要求，設(shè)計(jì)兩種工作模式。一種為4支腿工作，一種為2支腿工作。4支腿工作一般應(yīng)用于重載低速舉升工況下。液壓站由3套雙聯(lián)泵，1套三聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。小修作業(yè)不使用轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)，1#、2#、3#、4# 泵 1 給舉升系統(tǒng)供油，大修作業(yè)時(shí)，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤(pán)，平衡絞車(chē)1、平衡絞車(chē)2、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、散熱由剩余泵供油。

液壓舉升機(jī)共四支油缸，要求舉升力F舉=1 540 kN，行程L=3 048 mm。則每支油缸舉升力需滿(mǎn)足 F=385 kN，初選工作壓力21 MPa。

由公式(1)：

式中：F為單支液壓缸的舉升力；P為工作壓力；D為缸徑。

驗(yàn)算工作壓力得：P=19.1 MPa，壓力設(shè)定為19.1 MPa即可滿(mǎn)足工作要求，考慮到壓力損失，選擇溢流閥溢流壓力為21 MPa。

液壓站的舉升系統(tǒng)泵流量控制采用載荷-壓力自適應(yīng)控制，4支腿工作輕載時(shí)(載荷小于120 t)，4泵同時(shí)工作，舉升系統(tǒng)供油流量最大。4支腿工作重載時(shí)(舉升載荷大于120 t)，兩泵工作，一個(gè)泵通過(guò)卸荷溢流閥無(wú)溢流損失卸荷。輕載荷、重載載荷臨界數(shù)值(本計(jì)算取臨界值為120 t，此時(shí)對(duì)應(yīng)卸荷溢流閥壓力設(shè)置值為15 MPa，該壓力可設(shè)置)可通過(guò)卸荷溢流閥設(shè)置。舉升系統(tǒng)最大流量1 048 L/min，卸荷閥工作時(shí)舉升系統(tǒng)流量748 L/min。

由公式 (2)、(3)和 (4)：

式(2)～(4)中：A1為油缸無(wú)桿腔作用面積；A2為油缸有桿腔作用面積；Q重為重載系統(tǒng)進(jìn)入4根油缸流量(748 L/min)；Q輕為輕載系統(tǒng)進(jìn)入4根油缸流量(1 048 L/min)；F為舉升機(jī)載荷。

計(jì)算得出，4支腿工作重載時(shí)舉升速度0.16 m/s，4支腿工作輕載時(shí)舉升速度0.22 m/s，4支腿下放速度0.41 m/s。

2支腿工作時(shí)，通過(guò)2個(gè)球閥切斷浮動(dòng)油缸有桿腔和無(wú)桿腔進(jìn)油，通過(guò)1個(gè)球閥連接有桿腔、無(wú)桿腔及總舉升系統(tǒng)回油管路。所有流量進(jìn)入2個(gè)主工作油缸。

由公式 (5)～(7)：

計(jì)算得出，2支腿工作重載時(shí)舉升速度0.31 m/s，2支腿工作輕載時(shí)舉升速度0.42 m/s，2支腿下放速度0.82 m/s。

2支腿工作時(shí)，可以通過(guò)舉升機(jī)上的HUSCO閥實(shí)現(xiàn)主工作油缸的大腔和小腔連通和供油，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2支腿差速舉升，此時(shí)，舉升速度最快。

由公式(8)：

計(jì)算得出，2支腿差速舉升速度為0.92 m/s。

3.2 液壓轉(zhuǎn)盤(pán)計(jì)算

液壓轉(zhuǎn)盤(pán)選用YZP110-1型液壓轉(zhuǎn)盤(pán)，液壓轉(zhuǎn)盤(pán)具有2/4馬達(dá)兩種工作模式，最高轉(zhuǎn)速100 r/min，最大工作扭矩為：30 kN·m@4馬達(dá)/15 kN·m@2馬達(dá)，最大排量需求470 L/min。傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比i=9.461 5。液壓馬達(dá)排量246 cm3/rev，馬達(dá)最大連續(xù)工作壓力20.7 MPa，峰值壓力24.1 MPa。

大修作業(yè)時(shí)，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤(pán)，選擇傳動(dòng)比為1.13分動(dòng)箱，則柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min下，1#、2#泵1理論的輸出流量為：

因此，液壓動(dòng)力源排量、壓力滿(mǎn)足液壓轉(zhuǎn)盤(pán)需求。

3.3 功率計(jì)算

液壓動(dòng)力源最大功率工況為舉升機(jī)四支腿在最大壓力下舉升并且兩個(gè)平衡絞車(chē)及風(fēng)冷馬達(dá)同時(shí)工作，風(fēng)冷馬達(dá)功率由設(shè)備銘牌得知，P風(fēng)冷馬達(dá)=3.1 kW。分動(dòng)箱效率按η分動(dòng)箱=98%計(jì)算，液壓泵總效率(容積效率和機(jī)械效率乘積)按η總=85%計(jì)算。計(jì)算達(dá)到最大工作壓力(PMAX= 21 MPa，Q=748 L/min)時(shí)的功率。計(jì)算結(jié)果如下：

其中：Δ為舉升系統(tǒng)液壓系統(tǒng)液壓泵總排量；Δp為舉升系統(tǒng)壓力；ηmh為機(jī)械效率。

選擇傳動(dòng)比為1.13分動(dòng)箱，則柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min下的輸出功率為540 hp(402.7 kW)，分動(dòng)箱最大輸出轉(zhuǎn)矩2 028 N·m。滿(mǎn)足液壓泵需求轉(zhuǎn)矩要求。因此選擇卡特C15柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可滿(mǎn)足使用要求。

4 聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)

連接外接氣源，為液壓站緩沖氣罐充氣至0.75～0.8 MPa，啟動(dòng)液壓站發(fā)動(dòng)機(jī)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、油泵、液壓油散熱器等運(yùn)轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、管線(xiàn)有無(wú)泄漏，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速至 1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此轉(zhuǎn)速下保持柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵空載運(yùn)行各10 min，期間檢查發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、油泵、液壓油散熱器等運(yùn)轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、液壓管路等無(wú)泄漏。依次順時(shí)針旋緊X1-X8分別為液壓轉(zhuǎn)盤(pán)、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車(chē)、油管鉗、動(dòng)力卡瓦、散熱馬達(dá)加載，與舉升機(jī)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)(圖3)。

圖3 聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)

4.1 液壓站運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

(1)連接外接氣源，為液壓站緩沖氣罐充氣至0.75～0.8 MPa，關(guān)閉充氣裝置，保壓5 min，壓降不得大于0.03 MPa。

(2)連接外接氣源裝置，啟動(dòng)液壓站發(fā)動(dòng)機(jī)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)聲響、排煙、發(fā)熱等是否正常，檢查分動(dòng)箱、油泵、液壓油散熱器等是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、管線(xiàn)有無(wú)泄漏；

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速至1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此轉(zhuǎn)速下保持柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵空載運(yùn)行各10 min，期間檢查發(fā)動(dòng)機(jī)、分動(dòng)箱、油泵、液壓油散熱器等是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、液壓管路等是否有泄漏。

(4)將液壓站閥塊一上的球閥置于轉(zhuǎn)盤(pán)位，使液壓泵為轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)供油，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備下階段的試驗(yàn)項(xiàng)目。

4.2 桅桿試驗(yàn)

(1)操作副司鉆桅桿起升手柄，觀(guān)察桅桿是否可以分級(jí)伸出到位，記錄期間最大起升壓力；

(2)主絞車(chē)和平衡絞車(chē)試驗(yàn)(注：主絞車(chē)額定工作載荷5 t，平衡絞車(chē)額定工作載荷2.5 t)；

(3)手動(dòng)解鎖機(jī)械鎖定裝置，操作副司鉆桅桿下降手柄，觀(guān)察桅桿收回過(guò)程是否順暢；

(4)檢查確認(rèn)液壓管路無(wú)可見(jiàn)泄漏情況后，操作使桅桿再次伸出到位，機(jī)械鎖定裝置自動(dòng)進(jìn)行鎖定。

4.3 液壓動(dòng)力鉗試驗(yàn)

(1)操作旋轉(zhuǎn)臂控制手柄，觀(guān)察大鉗吊臂左右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是否平穩(wěn)；

(2)操作液壓動(dòng)力鉗控制手柄，依次使動(dòng)力鉗上升、下降，低速正轉(zhuǎn)、低速反轉(zhuǎn)，高速正轉(zhuǎn)、高速反轉(zhuǎn)，觀(guān)察各動(dòng)作運(yùn)行是否平穩(wěn)，無(wú)阻滯現(xiàn)象。

4.4 轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

(1)使轉(zhuǎn)盤(pán)由四馬達(dá)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，向上推動(dòng)控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速(正轉(zhuǎn))到達(dá)10 r/min時(shí)，保持手柄位置不動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min；

(2)繼續(xù)向上推動(dòng)控制手柄并調(diào)節(jié)油門(mén)，使轉(zhuǎn)盤(pán)以30 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))5 min；

(3)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)緩慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)；

(4)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速(反轉(zhuǎn))到達(dá)10 r/min時(shí)，保持手柄位置不動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min；

(5)繼續(xù)下拉控制手柄并調(diào)節(jié)油門(mén)，使轉(zhuǎn)盤(pán)以30 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))5 min；

(6)調(diào)整液壓管線(xiàn)使轉(zhuǎn)盤(pán)由兩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，向上推動(dòng)控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速(正轉(zhuǎn))到達(dá)10 r/min時(shí)，保持手柄位置不動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min；

(7)繼續(xù)向上推動(dòng)控制手柄并調(diào)節(jié)油門(mén)，使轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速緩慢增加至100 r/min，保持此轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))5 min；

(8)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)緩慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查各連接緊固件不應(yīng)有松動(dòng)，各密封結(jié)合處不應(yīng)有可見(jiàn)滲漏。

(9)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)輸出轉(zhuǎn)速(反轉(zhuǎn))到達(dá)10 r/min時(shí)，保持手柄位置不動(dòng)使轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min；

(10)繼續(xù)下拉控制手柄并調(diào)節(jié)油門(mén)，使轉(zhuǎn)盤(pán)以100 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))5 min；

(11)上推控制手柄使轉(zhuǎn)盤(pán)緩慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.5 舉升油缸動(dòng)作試驗(yàn)

(1)將液壓站閥塊一上的球閥置于舉升位，使液壓泵為舉升系統(tǒng)供油；

(2)使用四油缸模式，此時(shí)操作主司鉆提升、下放手柄，觀(guān)察舉升油缸動(dòng)作情況；

(3)操作提升、下放手柄使舉升油缸動(dòng)作到最高和最低行程；

(4)使用雙油缸模式，此時(shí)操作主司鉆提升、下放手柄，觀(guān)察舉升油缸動(dòng)作情況；

(5)操作提升、下放手柄使舉升油缸動(dòng)作到最高和最低行程；

(6)開(kāi)啟差速模式按鈕，操作主司鉆提升手柄，使舉升油缸上升到最高行程，觀(guān)察舉升油缸動(dòng)作情況；

(7)關(guān)閉差動(dòng)模式按鈕，操作主司鉆下降手柄，使舉升油缸緩慢下降到最低行程。

4.6 滑移底座控制試驗(yàn)

(1)連接滑移液缸至液壓站管線(xiàn)；

(2)液壓站控制面板相應(yīng)的換向閥控制液壓缸收縮和伸出，觀(guān)察滑移液缸缸動(dòng)作情況。

4.6 整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

(1)使用桅桿平衡絞車(chē)一將試驗(yàn)鉆桿提升至上工作臺(tái)，然后沿井口下放至固定卡瓦和游動(dòng)卡瓦之間，操作手(柄使固定卡瓦和游動(dòng)卡瓦同時(shí)閉合，鎖定鉆桿；

(2)操作手柄使固定卡瓦張開(kāi)，舉升油缸帶動(dòng)鉆桿上提，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(3)操作手柄使游動(dòng)卡瓦張開(kāi)，舉升油缸下降，到位后操作關(guān)閉游動(dòng)卡瓦；

(4)操作手柄使固定卡瓦張開(kāi)，舉升油缸帶動(dòng)鉆桿下降，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(5)操作手柄使固定卡瓦張開(kāi)，舉升油缸帶動(dòng)鉆桿上升，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(6)操作手柄使游動(dòng)卡瓦張開(kāi)，舉升油缸上升，到位后操作關(guān)閉游動(dòng)卡瓦；

(7)操作手柄使固定卡瓦張開(kāi)，舉升油缸帶動(dòng)鉆桿下降，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦。檢查并記錄液壓動(dòng)力源運(yùn)行參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)分析海上平臺(tái)液壓舉升修井作業(yè)對(duì)液壓舉升裝置動(dòng)力源的需求，對(duì)340K液壓舉升裝置動(dòng)力源液壓系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，液壓動(dòng)力源性能參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試表明優(yōu)化后的液壓動(dòng)力源運(yùn)行穩(wěn)定可靠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

(2)系統(tǒng)增加了滑移底座控制回路，可通過(guò)液壓動(dòng)力源直接進(jìn)行底座滑移操作，簡(jiǎn)化了設(shè)備安裝作業(yè)流程?？蔀橄嚓P(guān)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒與參考。